DE3631928A1

DE3631928A1 - Verfahren zur herstellung von walzstahlerzeugnissen

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Publication number: DE3631928A1
Application number: DE19863631928
Authority: DE
Inventors: Des Erfinders Auf Nennung Verzicht
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1986-09-19
Filing date: 1986-09-19
Publication date: 1988-03-31
Anticipated expiration: 2006-09-20
Also published as: ES2003079B3; DE3631928C2; US4923528A; AU599158B2; EP0260717A1; AU8027487A; ES2003079A4; EP0260717B1; DE3763560D1; ZA877029B; BR8707822A; ATE54336T1; CA1317859C; WO1988002031A1; JPH0663028B2; JPH01501802A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Walzstahlerzeugnissen, insbesondere von Baustählen, wie z.B. Spannstählen.

An Baustähle (Vergütungsstähle), wie z.B. Spannstähle, werden hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften hohe Anforderungen gestellt. Spannstähle werden im Bau wesen als Spannglieder für Spannbeton, als Ankerstähle für Erd- und Felsanker, als Schallungsanker, für Hänge kabel für Hängebrücken, Schrägseile von Schrägseilbrüc ken, Abspannungen usw. verwendet. Für einen Teil dieser Anwendungsfälle werden vorzugsweise Spannstähle mit stabförmigem Querschnitt in den Festigkeitsklassen mit Streckgrenzen zwischen 800 und 1000 N/mm² (0,2-Grenze) und Zug festigkeiten zwischen 1100 und 1300 N/mm² eingesetzt. Als Ab messungen kommen Durchmesser von 12 bis 50 mm, insbeson dere von 20 bis 40 mm in Frage. Es handelt sich dabei um Spannstähle mit glatter Oberfläche oder um Stähle mit z.B. gewindeförmig ausgebildeten Schrägrippen. An dere mögliche Ausführungsformen für Spannstähle sind Drähte und Flachstähle.

Spannstähle müssen neben den statischen Festigkeitswer ten eine möglichst hoch liegende Elastizitätsgrenze und eine gute Verformungsfähigkeit besitzen. Bei schraubba ren Spannstählen, also solchen, bei denen Gewindeveran kerungen angebracht werden können, sind weiters eine hohe Verschleißbeständigkeit der Oberfläche sowie Korro sionsbeständigkeit von Bedeutung. Weitere wichtige Erfor dernisse sind gute Relaxationseigenschaften sowie eine ausreichend hohe Dauerschwingfestigkeit. Stabförmige Spannstähle mit Durchmessern zwischen etwa 12 und 50 mm werden warmgewalzt, zur Erhöhung der Streckgrenze an schließend gereckt und zur Entspannung nachfolgend an gelassen. Nach diesem Verfahren lassen sich zwar die Mindestanforderungen gemäß den vorgeschriebenen Normen erfüllen, das Verfahren ist aber sowohl hinsichtlich der Stahlzusammensetzung (typische Analyse in Gew.%: C 0,75, Si 0,80, Mn 1,50, P 0,020, S 0,020, V 0,25) und der Verfahrensdurchführung recht aufwendig und mit hohen Produktionskosten verbunden. Neben der Vielzahl der Fer tigungsschritte stellt für diesen Stahl der Restwasser stoff und die metallurgischen Seigerungen ein großes Problem dar. Die nachteiligen Folgen für während des Reckens auftretende Brüche als auch für verzögerte Brüche und die generelle Korrosionsanfälligkeit solcher Spannstähle sind bekannt. Die produktionsstörenden, be triebsinternen hohen Rückweiseraten (Schrott) stellen des halb einen weiteren wesentlichen Kostenfaktor dar.

Aus der DE-OS 34 31 008 ist ein Verfahren zur Herstellung von Walzstahlerzeugnissen, insbesondere von schraubbaren Spannstählen und dergleichen bekannt, bei dem Stähle mit einem C-Gehalt von 0,50 bis 0,80 Gew.%, einem Si-Gehalt von 0,20 bis 0,60 Gew.%, und einem Mn-Gehalt von 0,30 bis 0,80 Gew.% nach dem Warmwalzen aus der Walzhitze an der Austrittsseite des Fertiggerüstes mittels Kühlung, insbesondere mittels Wasser, (prinzipiell kommt auch Kühlgas in Frage) einer Ober flächenabschreckung derart unterzogen werden, daß das Material in einer Randzone unmittelbar und vollständig in Marten sit umgewandelt wird, während der in der Kernzone ver bliebene Wärmeinhalt während des nachfolgenden Abkühlens ein Anlassen der martensitischen Randzone nicht über den Bereich der Zwischenstufe hinaus bewirkt.

Nach diesem Verfahren ist es möglich, metallurgisch leich ter darstellbare und kostengünstigere Analysen als Aus gangszusammensetzung zur Herstellung eines Spannstahles einzusetzen, der korrosionsbeständig ist und der eine verschleißfeste Oberfläche besitzt, die die Gefahr me chanischer Beschädigungen verringert und sich zum Auf bringen von Gewinden eignet. Der nach diesem Verfahren erhaltene Spannstahl weist außerdem bei hoher Streck grenze und hoher Festigkeit eine große Duktilität bzw. Zähigkeit vor allem auch bei tiefen Temperaturen auf, und besitzt bei geringer Relaxation eine hohe Dauer schwingfestigkeit.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein wirt schaftliches Verfahren zur Herstellung von Walzstahl erzeugnissen, insbesondere von Spannstählen, bereitzu stellen, das es ermöglicht, von einfachen und kosten günstigen Analysen auszugehen, und mit dem auf einfache und leicht durchführbare Weise ein Produkt mit Eigen schaften erhalten wird, die den für Baustähle, insbe sondere Spannstähle geforderten Eigenschaften in hohem Maße und verläßlich entsprechen. Diese Aufgabe wird mit der vorliegenden Erfindung gelöst.

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Herstel len von Walzstahlerzeugnissen, insbesondere von schraub baren Spannstählen oder dergleichen, bei dem Stähle mit einem C-Gehalt von 0,50 bis 0,80 Gew.%, einem Si-Gehalt von 0,20 bis 0,60 Gew.%, und einem Mn-Gehalt von 0,30 bis 0,80 Gew.%, nach dem Warmwalzen aus der Walzhitze an der Austrittsseite des Fertiggerüstes mittels Kühlung insbesondere mittels einer Kühlflüssigkeit, z.B. mit Wasser, einer Oberflächenabschreckung derart unterzogen werden, daß das Material in einer Randzone unmittelbar und vollständig in Martensit ungewandelt wird, während der in der Kern zone verbliebene Wärmeinhalt während des nachfolgenden Abkühlens ein Anlassen der martensitischen Randzone nicht über den Bereich der Zwischenstufe hinaus bewirkt, das dadurch gekennzeichnet ist, daß nach dem eine Kaltverformung erfolgt, und daran anschließend ein Anlassen.

Zweckmäßige Ausgestaltungen dieses Verfahrens sind Gegen stand der Unteransprüche 2 bis 11.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden durch die Verfahrensschritte des Kaltverformens und daran an schließenden Anlassens eines nach dem Warmwalzen und Oberflächenabschrecken erhaltenen Zweischicht-Stahls mit angelässener martensitischer Außenschicht Enderzeugnisse erhalten, die neben hervorragenden mechanischen Eigen schaften, wie sie für Baustähle, insbesondere für Spann stähle gefordert werden, auch noch eine ausreichende Verformbarkeit besitzen. Dieses Ergebnis ist überraschend: es ist zwar an sich bekannt, warmgewalzte Materialien zur Streckgrenzenerhöhung einer Reck- und Anlaßbehandlung zu unterziehen. Diese Materialien werden jedoch nach dem Warmwalzen keiner Wärmebehandlung unterzogen. Es ist bis her nicht bekannt, warmgewalzte, wärmebehandelte Ma terialien (Spannstahl) einer Kaltverformung mit anschlies sendem Anlassen zur Streckgrenzenerhöhung zu unterziehen. Der Grund liegt darin, daß bei Spannstählen eine hohe Verformbarkeit (= Dehnungsarbeit) zwingend erforderlich ist, um die nötige Sicherheit des Bauwerks zu gewährlei sten, insbesondere um einen plötzlichen Bruch auszuschlies sen. Es bestand deshalb ein Vorurteil, einen bereits durch Wärmebehandlung nach dem Warmwalzen gehärteten Stahl mit entsprechend reduzierter Verformbarkeit einer an schließenden Kaltverformung zu unterziehen, da damit ge rechnet werden muß, daß die Verformbarkeit für den Ver wendungszweck als Spannstahl dann nicht mehr ausreicht. Das erfindungsgemäße Verfahren führt überraschenderweise aber zu Endprodukten, die eine für ihren Verwendungszweck als Spannstähle ausreichende Verformbarkeit besitzen.

Die im erfindungsgemäßen Verfahren als Ausgangsmaterial eingesetzten Stahlzusammensetzungen (Analysen) besitzen vorzugsweise die Zusammensetzung (in Gew.%): C 0,50 bis 0,80, Si 0,25 bis 0,60, Mn 0,50 bis 0,80. Sie können weiters bis zu 0,8 Gew.% Chrom, bis zu 0,5, insbesondere 0,4 Gew.% Kupfer, bis zu 0,15 Gew.% Vanadin, bis zu ca. 0,06 Gew.% Niob, bis zu 0,03 Gew.% Phosphor, bis zu 0,03 Gew.% Schwefel, Spuren von Titan und/oder Spu ren von Bor, und/oder Nickel in einer Menge, daß die Summe von Chrom und Nickel bis zu 0,8 Gew.%, insbesondere bis zu 0,4 Gew.% beträgt, enthalten, wobei diese Bestand teile einzeln oder in Kombination miteinander vorhanden sein können.

Das Ausgangsmaterial kann auf an sich übliche Weise, z.B. im Block, aber auch im Strangguß, hergestellt werden. Eine spezielle Behandlung zur Entfernung von Wasserstoff ist in der Regel weder in der Flüssig- noch in der Fest phase erforderlich.

Das Halbzeug wird z.B. auf einer Feineisenstraße oder einer Drahtstraße auf den Endquerschnitt gewalzt. Das Warmwalzen und die daran anschließende kontrollierte Wärmebehandlung (Oberflächenabschreckung) erfolgen vor zugsweise nach den in der DE-OS 34 31 008 beschriebenen Verfahrensausführungen und -bedingungen.

Die Endwalztemperatur am Fertiggerüst wird vorzugsweise so gewählt, daß sie an der unteren Grenze der Warmver formbarkeit des Stahles knapp über A ₃ liegt. Die End walztemperatur liegt vorzugsweise zwischen 860 und 1060°C, und insbesondere zwischen 950° und 1000°C. Das Anlassen während des nachfolgenden Abkühlens erfolgt vorzugsweise derart, daß die Oberflächentemperatur der Randzone in dem Zeitraum zwischen der zweiten und sechsten Sekunde der Wärmebehandlung in Abhängigkeit vom Stabdurchmesser nicht mehr als ca. 500°C, vorzugsweise zwischen 400° und 500°C beträgt.

An das Warmwalzen und die kontrollierte Wärmebehandlung, nach der bereits Streckgrenzwerte von ca. 900 N/mm² er reicht werden, schließt sich dann die Kaltverformung an. Als Kaltverformen kommt z.B. Tordieren in Frage. Bevor zugt ist jedoch das Recken, da die erhaltene Verformung weitgehend homogen über dem Querschnitt ist. Das Recken wird vorzugsweise mit einem Grad vorgenommen, der in der Spannungs-Dehnungslinie des Ausgangsmaterials etwa dem Bereich (1,01 bis 1,2) × Re, und insbesondere (1,05 bis 1,1) × Re entspricht. Der Reckgrad beträgt deshalb vor zugsweise 0,3 bis 2,0%, und insbesondere 0,5 bis 1,5%.

Das Recken kann auf in der Stahlbehandlung an sich üb liche Art und Weise erfolgen; Stäbe mit einem Durchmes ser von mehr als 15 mm (d _s 15 mm) werden vorzugsweise einzeln gereckt, bei Drähten kann ein kontinuierlicher Reckvorgang, wie er beispielsweise bei Betonstählen üb lich ist, vorgenommen werden.

An das Recken schließt sich dann der erfindungsgemäße Verfahrensschritt des Anlassens an, um die bei der Kaltver formung erhaltenen Fehlstellungen und Versetzungen zu stabilisieren. Dieses Anlassen erfolgt bei einer Temperatur im Bereich von 300 bis 420°C, insbe sondere von 330 bis 420°C, und ganz bevorzugt im Bereich von 350 bis 380°C. Die Verweilzeit bei Maximal temperatur beträgt vorzugsweise 5 bis 60 Sekunden, und insbesondere ca. 10 Sekunden. Das Anlassen kann auf hier für übliche Weise erfolgen, z.B. in thermisch beheizten Öfen, oder auch elektrisch bei konduktiver Stromzufüh rung; vorzugsweise erfolgt die Erwärmung induktiv, da hier mit besonders kurze Verweilzeiten möglich sind.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, auf einfache und wirtschaftliche Weise Baustähle, ins besondere Spannstähle, mit einem sehr hohen Re/Rm-Verhält nis herzustellen; so ist z. B. auch der zeitaufwendige und risikobehaftete Verfahrensschritt einer Effusionsbehandlung nach dem erfindungsgemäßen Ver fahren nicht erforderlich. Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Erzeugnisse eignen sich auf grund ihrer Eigenschaften sehr gut für den vorgesehenen Verwendungszweck; sie können eine für den Verwendungs zweck übliche Form besitzen und z.B. ausgestaltet sein als Stahlstäbe oder -drähte mit glatter Oberfläche, mit geeigneten Gewinden, Rippen usw., wie sie z.B. in der DE-OS 34 31 008 beschrieben werden. Die Erzeugnisse besitzen eine ausreichende Verformbarkeit, einen hohen R _p0,01-Wert (technische Elastitzitätsgrenze), eine ge ringe Relaxation und eine ausreichende Dehnung. Wie ein Vergleich von Beispiel 1 (Verfahren nach der DE-OS 34 31 008) und Beispiel 2 (erfindungsgemäßes Verfahren) zeigt, weist ein nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestelltes Erzeugnis bei einer vergleich baren Bruchdehnung bessere Werte der Streckgrenze (R _e), der Zugfestigkeit (R _m) und der Relaxation (T) auf.

Die nachfolgenden Beispiele sollen die Erfindung näher erläutern, ohne sie darauf zu beschränken.

Beispiele Beispiel 1 (Vergleichsbeispiel)

Ein Stahl mit der Zusammensetzung (in Gew.%): C 0,68; Si 0,35; Mn 0,66; P 0,021 und S 0,025 wurde als Rippenstahl (Gewindestahl) ausgewalzt und dem Wärmebehandlungsverfahren gemäß der DE-OS 34 31 008 unterzogen. Es wurden folgende Werte erhalten:

Streckgrenze (R _e ):900 N/mm² Zugfestigkeit (R _m ):1200 N/mm² Bruchdehnung (A₁₀):10,3% Relaxation (T₁₀₀₀):4 bis 6% (1000 Stunden;
σ _i = 0,8 × Rm)

Beispiel 2 (erfindungsgemäßes Verfahren)

Das nach Beispiel 1 erhaltene Verfahrensprodukt wurde anschließend um 0,7% gereckt, worauf ein Anlassen bei 350°C (10 Sekunden) erfolgte. Es wurden folgende Werte erhalten:

Streckgrenze (R _e ):1100 N/mm² Zugfestigkeit (R _m ):1250 N/mm² Bruchdehnung (A₁₀):9,8% Relaxation (T₁₀₀₀):< 2% (1000 Stunden;
σ _i = 0,8 × Rm) Biegevermögen:5 × d _s (bis 180°, kein Bruch)

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich insbe sondere dadurch aus, daß hei einem kostengünstig er hältlichen Ausgangsmaterial und einfach durchzu führenden Verfahrensschritten (z.B. ohne seperaten Vergütungsschritt), ein Produkt mit verbesserten Werkstoffeigenschaften, insbesondere verbesserter Streckgrenze, Zugfestigkeit und Relaxation, erhalten wird. Von Vorteil ist auch, daß sämtliche erfindungs gemäß erhaltenen Produkte automatisch auf statische Zugbeanspruchbarkeit überprüft sind, da diese ja die Reckbehandlung erfolgreich überstanden haben.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Walzstahlerzeugnissen, bei dem Stähle mit einem C-Gehalt von 0,50 bis 0,80 Gew.%, einem Si-Gehalt von 0,20 bis 0,60 Gew.%, und einem Mn-Gehalt von 0,30 bis 0,80 Gew.% nach dem Warmwalzen aus der Walzhitze an der Austrittsseite des Fertiggerüstes mittels Kühlung einer Oberflächenabschreckung derart unterzogen werden, daß das Material in einer Randzone unmittel bar und vollständig in Martensit umgewandelt wird, während der in der Kernzone verbliebene Wärmeinhalt während des nachfolgenden Abkühlens ein Anlassen der martensitischen Randzone nicht über den Bereich der Zwischenstufe hinaus bewirkt, dadurch gekenn zeichnet, daß nach dem Abkühlen eine Kalt verformung erfolgt, und daran anschließend ein Anlassen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß als Kaltverformung ein Recken erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß der Reckgrad 0,3 bis 2%, insbesondere 0,5 bis 1,5% beträgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Anlassen bei einer Temperatur im Bereich von 300 bis 420°C, insbesondere von 330° bis 420°C, durchgeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, daß die Temperatur im Bereich von 350 bis 380°C liegt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Anlassen mit einer Verweilzeit bei Maximaltemperatur von 5 bis 60 Sekunden, insbesondere von ca. 10 Sekunden, durch geführt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekenn zeichnet, daß das Anlassen induktiv erfolgt.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die End walztemperatur am Fertiggerüst so gewählt wird, daß sie an der unteren Grenze der Warmverformbarkeit des Stahles knapp über A ₃ liegt.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die End walztemperatur zwischen 860 und 1060°C, insbesondere zwischen 950 und 1000°C liegt.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das An lassen der martensitischen Randzone derart erfolgt, daß die Oberflächentemperatur der Randzone in dem Zeitraum zwischen der zweiten und sechsten Sekunde der Wärmebehandlung in Abhängigkeit vom Stabdurch messer nicht mehr als ca. 500°C, vorzugsweise zwi schen 400 und 500°C, beträgt.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stähle bis zu 0,8 Gew.% Chrom, bis zu 0,5 Gew.% Kupfer, bis zu 0,15 Gew.% Vanadin, bis zu 0,06 Gew.% Niob, bis zu 0,03 Gew.% Phosphor, bis zu 0,03 Gew.% Schwefel, Spuren von Titan und/oder Spuren von Bor, und/oder Nickel in einer Menge, daß die Summe von Chrom und Nickel bis zu 0,8 Gew.% beträgt, enthalten können.

12. Das in den Beispielen beschriebene Verfahren nach Anspruch 1.